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基于计算全息术的“一次扫描”显微技术,可快速构建3D图像
2022-03-19 12:58:48   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

这种由日本东北大学和大阪大学的研究人员开发的新方法可以快速拍摄3D图像,且无需移动观测平面——而这在传统的激光扫描显微镜中是必需的。这项研究工作的论文发表在Biomedical Optics Express期刊上。

据麦姆斯咨询报道,近期,日本东北大学(Tohoku University)和大阪大学(Osaka University)开发了无需移动观测平面(observation plane)的快速3D图像采集技术。

“一次扫描”显微方法的概念说明示意图

图1 “一次扫描”显微方法的概念说明示意图

这种新提出的3D显微技术可实现快速3D图像采集;该方法被称为“一次扫描”,它涉及一个类似于“针”的细长光斑,可以拍摄样本的3D图像。

这种由日本东北大学和大阪大学的研究人员开发的新方法可以快速拍摄3D图像,且无需移动观测平面——而这在传统的激光扫描显微镜中是必需的。这项研究工作的论文发表在Biomedical Optics Express期刊上。

光学显微镜在包括生命科学和医学诊断在内的各个领域无处不在且至关重要。由于许多生物细胞或组织的结构复杂,因此,对于它们的3D观测至关重要。激光扫描显微术是一种具有代表性且成熟的方法,它可通过在样本上扫描焦斑来实现3D观测。

一个主要挑战是这是一个耗时的过程,因为它涉及需要改变观测平面的重复2D图像采集。

研究人员使用了一个沿轴向拉长的激光光斑,称为“光针”,作为激光扫描显微术中的照明。一般来说,使用这种光针是一种常见的方法,它可以产生深聚焦图像,拍摄样本的扩展深度范围信息而不会模糊。然而,这种方法只提供了一个2D图像,不包括样本的任何深度信息。

计算全息术(CGH)

利用波前工程对荧光信号进行深度信息恢复

图2 利用波前工程对荧光信号进行深度信息恢复

研究人员提出的解决方案是通过一种基于CGH的技术来操纵从样本发出的荧光信号。他们设计了一种全息图,可以应用于从样本内部不同深度位置发出的荧光。

荧光发射的线性变化横向位移行为的实验设置和评估

图3 荧光发射的线性变化横向位移行为的实验设置和评估

该全息图被设计成根据物体的深度位置在探测器平面上产生横向位移和空间分离的图像。利用这种技术,深度信息可以同时被记录为横向信息,从而可以在不改变观测平面的情况下构建3D图像。

利用这一原理,研究人员开发了一种配备有空间光调制器(spatial light modulator)的显微镜系统,这是一种由计算机控制的投影CGH的装置。所开发的显微镜系统通过光针的单次2D扫描构建了深度范围为20µm的3D图像。

水中1 µm荧光珠的视频速率图像采集

图4 水中1 µm荧光珠的视频速率图像采集

该研究团队表示,该显微镜系统可以记录悬浮在水中的微米级荧光珠的3D动态运动影像,这是现有激光扫描显微镜很少能实现的。研究人员还演示了对厚生物样本的快速3D图像采集,其速度比传统技术快10倍以上。

采集体积为200 µm × 200 µm × 260 µm的固定H-line小鼠大脑锥体神经元的3D图像

图5 采集体积为200 µm × 200 µm × 260 µm的固定H-line小鼠大脑锥体神经元的3D图像

研究小组总结道,他们提出的技术将显著加快各种研究和工业领域的图像采集,在这些领域,3D图像的观测和评估是必不可少的。研究人员正计划将所提方法的适用性进一步扩展到小型化的系统中,目标是将其形成实际应用。

论文信息:

Yuichi Kozawa, Tomoya Nakamura, Yuuki Uesugi, and Shunichi Sato. Wavefront engineered light needle microscopy for axially resolved rapid volumetric imaging. Biomed. Opt. Express 13, 1702-1717 (2022)

https://doi.org/10.1364/BOE.449329

延伸阅读:

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》 

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